大学物理 ›› 2026, Vol. 45 ›› Issue (08): 40-.doi: 10.16854/j.cnki.1000-0712.250459
李富民,杨 军
LI Fu-min1, YANG Jun2,3
摘要: 一维半无限固体扩散是材料表面强化(如渗碳/渗氮)、半导体掺杂等工程的关键理论基础,其基于菲克第二定律的解析解对掌握扩散规律至关重要.当前材料科学基础教材对该解析解的处理存在教学痛点:一般从一维无限长扩散偶模型推导(将两根等径金属棒压焊为扩散偶,求解菲克第二定律后,将半无限扩散视为特例),但此方式会导致学生困惑——针对固体板材真空除气、表面脱碳等表面浓度为零的场景,追溯至无限长模型需假设“负浓度”金属棒,物理意义难以解释,反而增加教学复杂度.本文针对该问题展开研究:首先明确从无限长扩散偶推导半无限扩散公式的不合理性及学生困惑根源;随后提出直接推导路径——结合一维半无限扩散的初始条件与边界条件,通过玻尔兹曼变量代换法求解菲克第二定律,得到无歧义的浓度分布公式;同时以渗碳为例,介绍拉普拉斯变换法的简洁求解过程,验证结果一致性.此外,本文还解答学生关于扩散曲线凹凸性的疑问,指出曲线凹凸由2C/x2符号决定(浓度增加时曲线下凹、降低时上凸),与扩散趋向浓度均匀的本质一致,无法改变.该研究有助于帮助学生深入理解半无限扩散的物理内涵,为掌握扩散章节核心知识提供支撑.